Закономерности мезо-кайнозойской геодинамической эволюции западных окраин Северной и Южной Америк тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, доктор физико-математических наук Романюк, Татьяна Валентиновна

• Романюк, Татьяна Валентиновна
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Романюк, Татьяна Валентиновна

Оглавление

Глава I. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Основная идея работы

1.2. Сопоставление современных геодинамических режимов западных окраин Северной и Южной Америк

1.3. Основные положения гипотезы

1.4. Содержание работы

1.5. Структура работы

Глава И. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

11.1. Построение комплексной геолого-геофизической модели литосферы

II. 1.1. К проблеме постановки задачи построения комплексной тектоно-геологогеофизической модели литосферы.

И. 1.2. Принципиальная схема строения субдукционных зон.

II. 1.3. Изученность Тихоокеанских окраин Северной и Южной Америк различными методами.

II. 1.4. Р-Т траектории, петрологический прогноз для субдукционных зон.

II. 1.5. Процедура построения комплексной геолого-геофизической модели зоны перехода океан-континент.

11.2. Плотностное моделирование (постановка задачи на примере профиля "Лос Анжелес")

11.2.1. Формулировка задачи.

Н.2.2. Варьирование параметров регуляризации. анализ получаемых решений и выбор оптимального решения.

Н.2.3. Специфика плотностных моделей переходной зоны океан-континент.

Н.2.4. Изостатический разбаланс плотностных моделей.

И.З. Моделирование напряжений (постановка задачи и вспомогательные расчеты на примере профиля

Анды»)

Н.3.1. К постановке задачи моделирования напряжений.

11.3.2. Постановка задачи моделирования напряжений.

Н.З.З. Задача 1 - «плитовые движения».

Н.3.4. Задача 2 - «плотностные неоднородности».

Н.3.5. Суммирование Задачи 1 и Задачи 2.

11.4. Реологические параметры модели

Глава III. ЗАПАДНАЯ ОКРАИНА СЕВЕРНОЙ АМЕРИКИ.

III. 1. Общие сведения по современной структуре и геодинамической эволюции западной окраины

Северной Америки

III. 1.1. Современная сегментация зоны сочленения Тихий океан - Северная Америка и тектонические провинции западной трети Северо-Американского континента.

III. 1.2. Краткий обзор геодинамической эволюции западной окраины Северной Америки.

Ш.2. Геодинамические модели, объясняющие кайнозойскую тектонику западной окраины Северной

Америки

Ш.2.1. Северо-Американские Кордильеры.

Ш.2.2. Пологая субдукция слэба Фараллон в период 70-40 млн. лет назад.

Ш.2.3. Надвиговый пояс Севиер.

Ш.2.4. Ларамийские деформации.

Ш.2.5. Подъем Плато Колорадо.

Ш.2.6. Столкновение хребта с окраиной, «окно» в слэбе.

Ш.2.7. Разрушение слэба плиты Фараллон.

Ш.2.8. Провинция Бассейнов и Хребтов.

Ш.З. Современная структура Каскадной субдукционной зоны

Ш.4. Компиляция сейсмо-геологических моделей вдоль профилей «Ванкувер» и «Орегон»

Ш.4.1. Исходные данные.

Ш.4.2. Континентальная кора Каскадной субдукционной зоны.

Ш.4.3. Структуры континентальной коры профиля «Орегон».

Ш.4.4. Континентальная кора профиля «Ванкувер».

Ш.4.5. Океаническая кора плиты Хуан де Фука.

Ш.4.6. Аккреционные призмы.

Ш.4.7. Контактная зона между субдуцируемой океанической и континентальной плитами.

Ш.4.8. Мантийный клин.

Ш.4.9. Океаническая литосферная мантия и субдуцируемая океаническая плита.

Ш.4.10. Океаническая астеносфера.

Ш.4.11.Верхняя континентальная мантия.

Ш.5. Петрологический прогноз для некоторых глубинных частей модели

Ш.5.1. Высокие Каскады, геотерма (1).

Ш.5.2. Западные Каскады, Силец и Врангелия, геотерма (2).

Ш.5.3. Субдуцируемая океаническая кора, геотерма (3); контактная «А»-зона, геотерма (4)

111.6. Плотностное моделирование

1II.6.1. Предыдущие сейсмо-плотностные модели вдоль профилей «Ванкувер» и «Орегон»

111.6.1. Гравитационное поле.

111.6.2. Изостатический анализ.

111.6.3. Анализ решений.

111.6.4. Зависимость плотности от глубины, функция ß=f(z).Ill

IH.6.5. Выводы из плотностного моделирования.

111.7. Реологические модели по профилям «Ванкувер» и «Орегон».

111.8. Расчет напряжений

III.8.1. Задача 1 — « плитовые движения» — постановка задачи.

111.8.1. Задача 1 — «плитовые движения» — результаты расчетов.

111.8.3. Задача 2 — «плотностные неоднородности» — п остановка задачи.

111.8.4. Задача 2 - «плотностные неоднородности» - результаты расчетов.

III.8.3. (Задача 1 + Задача 2) — результаты расчетов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности мезо-кайнозойской геодинамической эволюции западных окраин Северной и Южной Америк»

I.l. Основная идея работы Одной из фундаментальных проблем современных наук о Земле является выявление закономерностей геодинамической эволюции океанов и континентов, понимание причин и доминирующих движущих сил различных тектонических процессов (см., например, недавние обобщающие монографии Трифонов и др., 2002; Schubert, Turkcotte, Olson, 2001; Хаин, 2000; Davies, 1999; Трифонов, 1999; Добрецов и Кирдяшкин, 1994; Зоненшайн и Кузьмин, 1993; Артюшков, 1993; Пущаровский и Меланхолика, 1992; Сорохтин и Ушаков, 1991; Богданов, 1988; Лобковский, 1988; Гутерман, 1987; и др., а также и монографические сборники Фундаментальные 2001; Проблемы эволюции 1997; Тектоническая расслоенность 1990; и др.). Из этих публикаций следует, что в рамках теории плитовой тектоники в настоящее время достигнут значительный в спрединговых прогресс в понимании хребтах, геодинамических процессов, происходящих океанических субдукционных зонах (формирование вулканических дуг, аккреционных комплексов, складчато-надвиговых береговых Кордильер и др.), на трансформных границах плит, в континентальных рифтах, в коллизионных зонах и др. Однако классическая плейт-тектоника, рассматривающая континенты как пассивные включения внутри литосферных плит, не смогла дать объяснения ряду наблюдаемых явлений. В частности, не предлагалось никакого объяснения циклов Вильсона. Почему континенты не хаотично дрейфуют и сталкиваются между собой, а закономерно собираются в суперконтиненты, которые в свою очередь распадаются? В представления о тонких жестких литосферных плитах, скользящих по астеносфере, плохо вписывалось существование под древними ядрами континентов континентальной литосферы с глубокими корнями до 400 км. Не было достигнуто ясного понимания и того, почему в тылу субдукционных зон за вулканическими дугами иногда бывают общирные зоны растяжения окраинные моря, (пример: Японский архипелаг вулканическая дуга. Японское море окраинное море), а иногда они отсутствуют, как на западной окраине Южной Америки (окраины Андийского типа). Остается также много открытых вопросов по эволюции субдукционных зон. Глобальное моделирование мантийной конвекции с «плавающими» континентами (Трубицын и Рыков, 1997; Трубицын, 2000) заложило основу новой геодинамической теории «Тектоника плавающих континентов», которая является развитием плитовой тектоники. В рамках этой концепции показана активная роль континентов в геодинамике Земли, выяснены причины цикличности слияния континентов в суперконтиненты (циклы Вильсона), о 30 60 90 120 150 ,А 180 -150 -120 -90 -60 -30 О 60 Г\.; 30 vj S. -30 хм -60 Рис.1. Глобальные вариации геоида по (Lemoine et al., 1998), модель EGM96 no отношению к референс-эллипсоиду WG584. 60 90 120 150 180 -150 -120 -90 60 -30 Рис 2 Вверху: Топография по (Smith and Sandcwcll, 1997), слева: мощность земной коры по (Моопеу et al., 1998).объяснена природа континентальной литосферы, а также некоторые геодинамические эффекты в субдукционных зонах. Сопоставление обширного фактического материала по современному строению западных окраин Северной и Южной Америк и их мезо-кайнозойской геодинамической эволюции с закономерностями глобальной мантийной конвекции, установленными «Тектоникой плавающих континентов», позволило сформулировать гипотезу, объясняющую некоторые закономерности геодинамической эволюции западных окраин этих континентов (Романюк, 2002). И, в частности, почему современные геодинамические режимы Тихоокеанских окраин Южной и Северной Америк настолько различны, хотя обе Америки имеют весьма схожую мезо-кайнозойскую кинематическую историю: в юрское время откололись от Пангеи и затем дрейфовали на запад. 1.2. Сопоставление современных геодинамических режимов западных окраин Северной и Южной Америк В настоящее время в Южной Америке в тылу сейсмически активнейшей и прослеживаемой до глубин 700 км Андийской субдукционной зоны располагается горный массив Анд с высокогорными плато (Альтиплано и Пуна) и складчато-надвиговыми поясами, характеризующимися режимом интенсивного сжатия. Вдоль всего ЮжноАмериканского побережья протягивается глубоководный желоб. На западной окраине Северной Америки, напротив, наблюдается отсутствие желоба и глубинной сейсмичности, на значительной части окраины субдукция отсутствует, а граница между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами является трансформной (разлом Сан Андреас). Западная треть Северо-Американского континента в целом характеризуется прогревом мантии и высокой новейшей тектономагматической актививностью кайнозойским магматизмом, формированием обширной Провинции Бассейнов и Хребтов, характеризующейся интенсивным растяжением, и проч. Западной окраине Южной Америки в сглаженной низкочастотной компоненте геоида соответствует положительная аномалия, достигающая +40 м над высокогорными плато Пуна и Альтиплано; Северной Америке и прилегающему к ней сектору Тихого океана соответствует отрицательная аномалия геоида до -40 м с некоторым подъемом до -20 м над западной третью континента (Рис.1). Вдоль западных активных окраин обоих континентов протягиваются области повышенного рельефа (горные пояса), при этом на западной окраине Северной Америки ширина этой области в три-четыре раза шире, чем у Южной Америки (Рис.2). Кора стабильных ядер обоих континентов имеет обычную для древних платформ со ti NOAIVL AFR ВАМ 225 млн лет назад 75 млн.лет назад 1108 млн.ле! назад настоящее время Рис. 3. Плито-кинематическая реконструкция раскола Пангеи, начиная с 225 млн. лет назад по (L.A. Lawver, А. Grantz, L.M. Gahagan, and D.A. Campbell, 2001). PANGEA- Пан гея, ATL Атлантический океан, EURA Евразия, NOAM Северная Америка, SAM Южная Америка, AFR Африка, WCT Врангелия YCT Юкон, АА Арктическая Аляска, СП Чукотка, IB Иберия, AMR Амурия, SKH Сахалин, SHS Сибирская горячая точка. 10

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Романюк, Татьяна Валентиновна

1У.5. Общие выводы по напряженному состоянию Андийской субдукционной зоны,

21°ю.ш.

1). Выявлена определяющая роль гравитационных сил в тектонике и современных напряжениях в Центральных Андах. Вычисления показали, что в рамках упругой модели сдвиговые напряжения и надлитостатическое давление, вызываемые плотностными неоднородностями в поле силы тяжести (Задача 2), на порядки величин больше напряжений, вызываемых движениями плит (Задача 1). Плитовые движения непосредственно контролируют только напряжения в областях внутри слэба и вокруг его мелкорасположенных (до глубин 50 км) частей.

2) Величины максимальных сдвиговых напряжений в глубинных частях слэба и континентальной коре, создаваемые рельефом и плотностными неоднородностями, больше, чем общепринятые величины пределов прочности пород, поэтому Андийская плотностная аномалия не может поддерживаться за счет упругих сил. Действующие силы должны разрушать среду, образовывать разломы со скольжением вдоль них и/или области больших пластических деформаций.

3). Некоторые детали распределения напряжений в Андийском горном поясе, вызываемые плотностными неоднородностями (Задача 2), хорошо коррелируют с крупномасштабными геологическими деталями:

- Пре-Кордильерская разломная зона, отделяющая прибрежные области от горного Андийского пояса, четко коррелирует с переориентацией девиаторных осей сжатия-растяжения и низкими значениями интенсивности сдвига.

- В целом Восточные Кордильеры вместе с плато Альтиплано характеризуются гораздо более высоким уровнем максимальных сдвиговых напряжений, чем Западные Кордильеры. Западные Кордильеры обрисовались как более стабильный блок с зоной близких к нулю сдвиговых напряжений в средней коре, в то время как Восточные Кордильеры вместе с плато Альтиплано должны испытывать значительные внутренние деформации.

4). Начиная с глубин 70-80 км и глубже в субдуцируемом слэбе, по механизмам землетрясений определяется режим надлитостатического растяжения. В Задаче 1 режим растяжения возникает только в том случае, если нижний конец слэба движется быстрее верхней части, причем область растяжения ограничена областью, непосредственно примыкающей к «быстрой» части. В Задаче 2 образование «разгрузочной» зоны под желобом на глубинах 50-100 км возникает только в том случае, если нижний тяжелый конец слэба не упирается в дно модели, а имеет возможность проваливаться в нижележащую «мягкую» подложку. Все вместе поддерживает идею о более быстром движении нижнего плотного конца слэба под Южной Америкой по сравнению с вышележащими частями. На этом основании можно прогнозировать в ближайшем будущем (по геологическим меркам) отрыв нижнего конца слэба от верхней части (потеря механической связи). Идея «слома слба» («break of the slab», «slabbreakofF») или потери корня у горной коллизионной системы на определенном этапе ее эволюции широко обсуждается в литературе (Davies and Blanckenburg,1995).

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Романюк, Татьяна Валентиновна, 2003 год

1. Алексеев A.C., Бубнов Б.А. 1981. Об одной совместимой постановке обратных задач сейсмики и гравики// Докл. АН СССР. Т.261. N 5. С .1086-1090.

2. Алексеев A.C., Бубнов Б.А. 1984. Устойчивость решения совмещенной задачи сейсмики и гравики // Докл. АН СССР. Т.275. N 2. С .332-335.

3. Артюшков Е.В. 1993. Физическая тектоника // М.Наука. 457 С.

4. Андреев A.A., Злобин Т.К. 1990. Глубинное строение и гравитационное поле Курильской системы дуга желоб // Тихоокеанская геология. N2. С. 16-22.

5. Богданов H.A., Добрецов H.JI. 1987. Офиолиты Калифорнии и Орегона // Геотектоника. N 5. С.97-105.

6. Богданов H.A. 1988. Тектоника глубоководных впадин окраинных морей. Москва. Недра. 220 С.

7. Булах Е.Г., Ржаницын В.А., Маркова М.Н. 1976. Применение метода минимизации для решения задач структурной геологии по данным гравиразведки. Киев. Наукова Думка. 220 С.

8. Ваньян Л.Л., М.Н.Бердичевский, П.Ю.Пушкарев, Романюк ТВ. 2002. Геоэлектрическая модель Каскадной субдукционной зоны // Физика Земли, N 10, С. 23-53.

9. Гзовский М.В. 1975. Основы тектонофизики. Москва. Наука. 536 С.

10. Глазнев В.Н. 1987. Об одном подходе к построению согласованной модели земной коры // В кн.: Изучение литосферы геофизическими методами) электромагнитные методы, геотермия, комплексная интерпретация). Киев. Наукова Думка. С.228-235.

11. Голиздра Г.Я. 1975. О комплексной интерпретации гравитационного и сейсмического полей // ДАН УССР. Сер. Б. N 12. С .1065-1068.

12. Голиздра Г.Я. 1978. О комплексировании гравитационного и сейсмического метода при изучении земной коры // Физика Земли. N 6. С .82-87.

13. Голиздра Г.Я. 1980. О формулировке задач комплексной интерпретации гравитационного поля и сейсмических наблюдений // Физика Земли. N 8. С.95-99.

14. Голиздра Г.Я. 1988. Комплексная интерпретация геофизических полей при изучении глубинного строения земной коры // М. Недра. 212 С .

15. Гутерман В.Г. 1987. Механизмы тектогенеза. Киев. Наукова Думка. 172 С.

16. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., 1994. Глубинная геодинамика. РАН, Сиб. Отд-ние, Объед. Ин-т геологии, геофизики и минералогии. Новосибирск: НИЦ ОИГГМ СО РАН, 1994. 299 С.

17. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. 1993. Палеогеодинамика. Москва. Наука. 194 С.

18. Каракин A.B., Лобковский Л.И., Николаевский В.Н. 1982. Образование серпентенитового слоя океанической коры и некоторые геолого-геофизические явления // ДАН СССР. Т.265. С. 572-576.

19. Кобрунов А.И. 1980. К теории комплексной интерпретации // Геофизический журнал, т.2. N 2. С.31-39.

20. Кобрунов А.И. 1982. Об одной постановке оптимизации, возникающей при интерпретации комплекса геофизических данных // Геофизический журнал, т.4. N 3. С.50-56.

21. Кобрунов А.И., Петровский А.П. 1992. Обратные задачи комплексной интерпретации геофизических данных // В кн.: Литосфера Центральной и Восточной Европы. Киев. Наукова Думка. С.45-57.

22. Косыгин В.Ю. 1989. Плотностная модель тектоносферы вдоль геотраверса о.Хонсю Тихий океан // Тихоокеанская геология. N1. С.24-30.

23. Косыгин В.Ю., Лютая Л.М. 1989. Плотностная модель тектоносферы Алеутской системы окраинное море дуга - желоб - океан // Тихоокеанская геология. N2. С.22-29.

24. Косыгин В.Ю., Сеначин В.Н. 1989. Плотностная модель тектоносферы Идзу-Марианской системы окраинное море дуга - желоб - океан // Тихоокеанская геология. N5. С. 12-22.

25. Крылов С.В. 1993. Развитие петрофизических основ глубинного сейсмического зондирования на Р- и S-волнах // В кн.: Геофизические исследования литосферы. Киев. Наукова Думка. С. 105-115.

26. Лобковский Л.И. 1988. Геодинамика зон спрединга, субдукции и двухъярусная тектоника плит.27,2829,30,31,32,33,34,35,36,37.38,39.40,41.